交通部署案例集/艾倫的任務
鐵路機車已經成為當今社會不可分割的一部分，它是人們在不同地點之間移動大量人群的一種手段。在當今社會，大多數鐵路機車使用電力執行，以達到估計的平均速度 60-70 公里/小時。火車與其他交通方式的不同之處在於它是一種在其他火車網路中設定的路線中行駛的車輛。這些指定路線同時執行，並由外部系統監控以確保安全和流動性。因此，它比公路網具有顯著優勢，因為排除了諸如人為決策、高峰時段等外部因素，因此交通擁堵很少發生，而是擁堵的形式為火車內的密度，這會導致輕微的不適，因為車廂將非常擁擠。此外，與汽油（汽車）或飛機（犧牲時間）相比，它是一種廉價有效的交通方式。從統計學角度來看，火車在事故和故障方面被證明是有益的，因為鐵路是運輸中最安全的模式。鐵路機車的主要市場針對社會所有階層。
在鐵路出現之前，人們使用非常基本的交通方式，這透過馴養動物或步行來實現。一個重要的設計是馬車和馬，它們以非常緩慢的速度將重物運送到很遠的地方。此外，人們也乘坐馬車和四輪馬車出行。侷限性很明顯，因為馬是動物，因此它們需要不斷維護，並且由於可能會疲勞而提供有限的可靠性。此外，由於其木質基礎，馬車的使用可能存在故障。一個重要的限制是速度和舒適度，儘管在當時這是一種常見且有效的交通方式，但與它的潛力和我們今天擁有的相比，它仍然受到限制。儘管如此，隨著技術的進步，交通市場不斷發展，因此鐵路採用了這些技術進步，提供了高效且經濟的運輸方式，並導致了鐵路機車的誕生。
鐵路運輸的基礎始於 1515 年，當時引入了木軌，同時使用由人或動物拉動的馬車。在那個時代，這是一種有效的人員和重物運輸方式，但由於技術不發達，它的侷限性顯而易見。後來，金屬匠利用金屬製造了鐵軌的基礎，這是一個重大的改進，因為它提供了耐用性，並且不需要不斷維護。這種優勢在現代社會中可見一斑，因為我們仍然使用金屬軌道來執行我們的鐵路系統。然而，侷限性仍然存在，因為它們仍然由動物拉動，因此速度很慢。顯然，隨著技術的進步，最初的設計發生了轉變。
1769 年，詹姆斯·瓦特發明了一種改進的蒸汽機，這項發明涉及利用從沸水中產生的蒸汽膨脹能量來執行發動機。這種蒸汽機隨後與運輸結合在一起，為火車提供動力，使速度僅透過機械手段達到 6-8 英里/小時。18 世紀初，商業客運鐵路開始發展，喬治·史蒂芬森建造的LOCOMOTION No. 1 能夠以 15 英里/小時的速度拉動 90 噸煤。他進一步透過開發“火箭”火車來註冊了鐵路機車，這是當時速度最快的火車，速度為 30 英里/小時，能夠搭載 30 名乘客。鐵路運輸的洲際擴張是透過發展鐵路橋樑而實現的，密西西比河上的橋樑使火車能夠前往西部，從而促進了貿易。鐵路機車在融入電力後看到了顯著的改進，這在 1888 年在美國開始，與之前的車型相比具有優勢，能夠達到更高的速度，並且距離/能量使用率更高。電力機車是一種相當簡單直接的技術，因為它們從電網獲取電力，並且只需要一個變壓器。此外，裝置重量輕，不會產生熱量或噪音，因此更多的能量用於前進運動。電力機車的使用也具有環境影響，因為它不會燃燒大量的化石燃料。在此之後，1914 年見證了使用柴電機車控制系統的重大突破。
最初，鐵路的開發是為了在不使用過多人工的情況下將重物運輸到很遠的地方。此外，鐵軌主要用於採礦，以便快速將煤炭運輸到不同的地點。因此，最初的市場細分目標是當地貿易、大型企業和採礦公司的進口商和出口商。然而，人們很快發現，大型貨物運輸（功能增強）可以應用於人類，因此市場細分發展為滿足個人需求。最初，鐵路客運服務針對的是上層階級人士，但這導致其他人無法獲得服務。因此，隨著技術的進步，它允許更便宜的生產和維護以及整體服務，因此許多階層都負擔得起。因此，當它接近 21 世紀時，市場細分發生了變化，因為透過實施“經濟艙”，鐵路機車對社會所有階層都變得可行。
鐵路發展也基於先驅模式，即運河的使用，它允許採用預先設計的路線、業務和運營方面。一位議員約翰·蘭伯頓要求對倫敦轉運的煤炭關稅進行限制，因此皮斯制定了倫敦煤炭的每單位距離費率。因此，成本降低到不可行的水平，並且採用了通用承運人格式。1844 年的法律影響了火車的設計，公眾要求有權旅行，因此規定了以議會火車的形式提供最低的服務可用性，這些火車每週在每個方向提供服務，並在每個車站停車，規定了最高票價，執行速度不得低於 20 公里/小時。顯然，這項政策被植入，因為它是當今社會所實施的政策。政策變化也反映在頭等、二等和三等服務的差異化標準中，1912 年低價服務增長非常迅速。此外，收費公路模式與政府所有制相關聯，建議新鐵路在 21 年後成為政府財產，並支付補償金。
如前所述，該模式的增長歸因於政策、技術和公眾價值觀的同步發展。聯邦政府為鐵路公司提供了大量土地，以便鋪設軌道。美國鐵路發展的最初階段非常突出
· 1871 年之前鋪設了 45,000 英里的軌道
· 在接下來的 20 年中又增加了 170,000 英里
這種增長歸因於橫貫大陸鐵路的修建，該鐵路是由 1862 年的太平洋鐵路法案授權的。國會授權修建橫貫大陸鐵路，從而加速了洲際旅行和貿易，以及鐵路系統的整體發展。到 1900 年，四條橫貫大陸鐵路將東部各州與太平洋沿岸連線起來。私營部門之間出現了衝突，因為較小的鐵路公司必須購買土地才能在私人土地上鋪設軌道，而這很困難，因為土地所有者反對鐵路，並拒絕以少量補償價格授予通行權。結果，這給增長帶來了負面影響，因為需要大量的資金才能進行高效的軌道鋪設，最終減緩了程序。1920 年的運輸法最終將鐵路歸還私人所有。
不斷變化的鐵路機車市場適應著不斷增長的市場需求，個人希望更快的通勤，同時考慮到舒適度/成本等因素。這一理念體現在日本 1964 年研發的“新幹線”子彈頭列車上，進一步的改進包括使用計算機化的乘務員培訓系統、雙層車廂、再生制動器以節約能源、更輕更堅固的基礎設施、電子機械系統維護、傾斜列車和氣動列車設計考慮因素。顯然，這些改進增強了舒適度、容量、能源效率、速度和鐵路機車的整體服務水平。此外，當今引入了磁懸浮列車，標誌著重大的技術進步，它利用超導技術使列車懸浮和推進，從而消除摩擦力。磁懸浮列車具有加速和減速速度遠快於傳統列車的優勢，儘管建造成本高昂，但簡單的結構使其製造和維護成本更低。此外，目前悉尼的列車在高峰時段（下午 4 點至 6 點）擁擠不堪，因此人們提出了新的列車設計方案，這些方案提供有限的座位，並模仿傳統的美國地鐵，大多數乘客站立，並在側面提供可伸縮座椅。
這些資料提供了一條關於美國鐵路線路（總路線公里數）的曲線，2014 年報告為 228218 公里。參考圖 1，它清楚地表明瞭誕生、增長和成熟階段。第一個特許和建造的鐵路系統是馬薩諸塞州的花崗岩鐵路，1826 年執行距離為 3 英里，但這是用馬拉車在軌道上行駛，用於運輸貨物。直到 1830 年，南卡羅來納州運河和鐵路公司建立了第一個機械客運列車，才標誌著鐵路的誕生，也就是圖 1 中曲線開始的地方。這激發了人們對其他鐵路的需求，因此由於人們認識到密集鐵路網路的潛力，建立了指數增長模式。這種增長可以歸因於 1850 年十多條小型鐵路合併形成紐約中央鐵路公司，以及政府授予鋪設軌道的土地。我們在 1870 年左右看到顯著增長，當時發生了內戰，儘管產量下降，但鐵路的使用量大幅增加，因為它們被用來快速穿越美國進行作戰。例如，鐵路車廂被用於第一次牛奔戰役中，以確保勝利，因為增援部隊被運送進來。
由於 J.P. 摩根幫助重組鐵路並推動提高效率，誕生階段繼續增長。他進一步發展了“公開、合理、統一和穩定的費率”，吸引了擁有共同利益的社群。然而，我們看到一個非常明顯的梯度變化，這可以歸因於 1893 年的恐慌，美國曆史上的一次經濟蕭條。這次事件是鐵路過度建設和鐵路融資不謹慎的產物，結果是到 1894 年中期，四分之一的美國鐵路倒閉，這導致了鐵路系統增長緩慢（但仍在增長）。
20 世紀初出現了負梯度變化的第一個跡象，這是第一次世界大戰的結果。戰爭導致工業活動下降，1914 年下降了 4%，總體上出現了擁堵和運輸問題。1920 年的埃施·坎明斯法案制定並通過了一項計劃，將鐵路公司合併為少數幾個系統。此外，20 世紀 30 年代的大蕭條導致了許多小型鐵路倒閉。
第二次世界大戰後，成熟階段出現急劇下降，這是由於航空公司和州際公路的出現，它們提供了一種更快、更有效的交通方式。因此，人們自然而然地從鐵路轉向其他交通工具，因為鐵路被認為效率低下。此外，由於 ICC 繼續監管鐵路費率和運營的其他要素，鐵路無法適應不斷變化的市場。這種下降最終導致主要鐵路公司破產，進一步加劇了下降趨勢。
由於《斯泰格斯鐵路法》取消了限制性規定，以與卡車運輸行業競爭，大幅下降接近了 1980 年的中性梯度。我們在圖 2 中看到 21 世紀初發生了重大變化，這是由於聯運貨物運輸、橋樑和隧道改進，以確保高效的鐵路系統。此外，聯邦政府資助了小型改進專案，並且還授予土地，以建立一個模仿成本和時間效率的火車系統網路。
資料來自美國運輸統計局，它提供了 1960 年至 2015 年間鐵路運輸行駛的噸英里數資料。該資料集考察了在美國裝載一噸貨物行駛的鐵路運輸距離。
這組特定資料被估計為一個三引數邏輯函式，以形成一個 S 型曲線，從而對鐵路機車的生命週期進行視覺分析，包括其誕生、增長和成熟階段。該方程式如下所示
S(t) = 第 t 年鐵路機車的噸英里數
t = 時間（年）
t0 = 拐點時間
K = 飽和狀態水平
b = 常數係數
然後，我們可以使用 Excel 電子表格計算係數 k 和 b。
首先，我們必須預測 K 的第一個值，它是資料表中最大的值。在本例中，我們有 1851500。然後，我們可以透過一個 1000 的倍數線性地增加 K 的值。
為了找到最佳的 K 值，我們必須檢視相應的 RSQ 值，其中最大的值表示 K 的最準確值。
顯然，K 值為 1866500 產生的最高 RSQ 值為 0.78812。但是，很明顯，隨著 K 的增長，我們將產生一個更精確的模型，因為 RSQ 接近 1。（使用了 10,000,000 的值，其中 K 值為 0.954，但是這超出了資料集的範圍，該值太大）。
因此，計算結果為
| 變數 | 值 |
|---|---|
| K | 1866500 |
| b | 0.073657 |
| t0 | 1979.68 |
由此，擬合優度模型由R平方表示，其準確性由其與值1.0的接近程度決定。顯然，R平方值等於0.788，這表明與實際資料之間存在一些差異。儘管如此，K值遠大於可用的最大資料，並且儘管使用了近半個世紀的資料，但可以說該模型在某種程度上是準確的。
從圖中可以明顯看出，由於州際公路網的增長，以及由此帶來的貨運業務的增長，鐵路機車的誕生階段是在1960-1990年期間。此外，技術的快速發展，即使用電力機車和柴油機車，導致了更有效率的能源使用方式，反過來也導致了以更少的能量覆蓋更長的距離。S形曲線準確地描繪了1960-1990年效率的顯著提高，因為它見證了10萬噸英里增長，此外，由於當前技術發展侷限性，增長和成熟階段顯示出略微減少的增長。
目前，我們處於鐵路生命週期的成熟階段，即透過磁懸浮列車等實現更高速度旅行的未來前景。鐵路的使用已成為美國（以及整個世界）不可分割的一部分，因此預計噸英里的穩定增長也會繼續。
Beaconlearningcenter.com。 (2018)。 前工業革命交通。 [線上] 可訪問：http://www.beaconlearningcenter.com/WebLessons/HardTimes/Pages/transportation/wagon.html [訪問日期：2018年5月10日]。
Brigante，Z. 和 S.R.L.，R. (2018)。 乘坐火車旅行的十大優缺點。 [線上] Routes.Tips。 可訪問：https://routes.tips/blog/top_10_advantages_and_disadvantages_of_train_travel [訪問日期：2018年5月10日]。
Data.worldbank.org。 (2018)。 鐵路線路（總路線公里）| 資料。 [線上] 可訪問：https://data.worldbank.org/indicator/IS.RRS.TOTL.KM?locations=US&view=chart [訪問日期：2018年5月10日]。
Economicshelp.org。 (2018)。 [線上] 可訪問：https://www.economicshelp.org/blog/3085/economics/popularity-of-rail-travel/ [訪問日期：2018年5月10日]。
En.wikipedia.org。 (2018)。 鐵路運輸的歷史。 [線上] 可訪問：https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_rail_transport [訪問日期：2018年5月10日]。
En.wikipedia.org。 (2018)。 美國鐵路運輸的歷史。 [線上] 可訪問：https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_rail_transport_in_the_United_States#Expansion_and_consolidation_(1878%E2%80%931916) [訪問日期：2018年5月10日]。
En.wikipedia.org。 (2018)。 美國鐵路運輸的歷史。 [線上] 可訪問：https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_rail_transport_in_the_United_States#Expansion_and_consolidation_(1878%E2%80%931916) [訪問日期：2018年5月10日]。
En.wikipedia.org。 (2018)。 鐵路運輸。 [線上] 可訪問：https://en.wikipedia.org/wiki/Rail_transport [訪問日期：2018年5月10日]。
Garrison，W. 和 Levinson，D. (2014)。 交通體驗。 第2版。 紐約：牛津大學出版社。
kidcyber。 (2018)。 鐵路運輸：時間軸。 [線上] 可訪問：http://www.kidcyber.com.au/rail-transportation-timeline/ [訪問日期：2018年5月10日]。
Loc.gov。 (2018)。 19世紀後期的鐵路 - 美國記憶時間軸 - 課堂演示 | 教師資源 - 國會圖書館。 [線上] 可訪問：http://www.loc.gov/teachers/classroommaterials/presentationsandactivities/presentations/timeline/riseind/railroad/ [訪問日期：2018年5月10日]。
Quora。 (2018)。 與柴油機車相比，使用電力機車的優勢是什麼？。 [線上] 可訪問：https://www.quora.com/What-are-the-advantages-of-using-electric-engines-compared-to-diesel-locomotive-engines-in-trains [訪問日期：2018年5月10日]。
Tradingeconomics.com。 (2018)。 美國的鐵路線路（總路線公里）。 [線上] 可訪問：https://tradingeconomics.com/united-states/rail-lines-total-route-km-wb-data.html [訪問日期：2018年5月10日]。
Trainhistory.net。 (2018)。 鐵路時間軸 - 鐵路史上的重要時刻。 [線上] 可訪問：http://www.trainhistory.net/railway-history/railroad-timeline/ [訪問日期：2018年5月10日]。
Www-cs-faculty.stanford.edu。 (2018)。 美國鐵路的歷史。 [線上] 可訪問：https://www-cs-faculty.stanford.edu/people/eroberts/cs201/projects/corporate-monopolies/development_rr.html [訪問日期：2018年5月10日]。
Bts.gov。 (2018)。 一級鐵路系統里程和貨物噸英里：1960、1965、1970-2015 | 交通統計局。 [線上] 可訪問：https://www.bts.gov/content/class-i-railroad-system-mileage-and-ton-miles-freight-1960-1965-1970-2015 [訪問日期：2018年5月17日]。
Bts.gov。 (2018)。 一級鐵路系統里程和貨物噸英里：1960、1965、1970-2015 | 交通統計局。 [線上] 可訪問：https://www.bts.gov/content/class-i-railroad-system-mileage-and-ton-miles-freight-1960-1965-1970-2015 [訪問日期：2018年5月17日]。
Bts.gov。 (2018)。 一級鐵路系統里程和貨物噸英里：1960、1965、1970-2015 | 交通統計局。 [線上] 可訪問：https://www.bts.gov/content/class-i-railroad-system-mileage-and-ton-miles-freight-1960-1965-1970-2015 [訪問日期：2018年5月17日]。